Nghiên cứu về SDR, nắm được cách thiết kế với FPGA và thiết kế mô hình một máy thu số tín hiệu FM bằng phần mềm

LỜI NĨI ĐẦU Ngày khoa học cơng nghệ phát triển nhanh chóng, để áp dụng cơng nghệ đòi hỏi người làm khoa học phải cập nhật thành tựu khoa học kỹ thuật Việc áp dụng cơng nghệ mói tiết kiệm thời gian, công sức phát huy hết khả thành tựu khoa học vào ứng dụng thực tế Cùng với phát triển cơng nghệ FPGA khái niệm vơ tuyến định nghĩa phần mềm (SDR) ngày trở nên phổ biến Vói ưu điểm vượt trội so với vơ tuyến cấu hình cứng truyền thống đặc biệt qn Nó tăng khả tích họp giúp cho thiết bị hoạt động nhiều chế độ mà giảm kích thước trọng lượng nguồn tiêu thụ Công nghệ FPGA ứng dụng rộng rãi thiết bị vô tuyến định nghĩa phần mềm Chính việc làm chủ công nghệ cần thiết, đồ án tập trung nghiên cứu SDR, nắm cách thiết kế vói FPGA thiết kế mơ hình máy thu số tín hiệu FM phần mềm Nội dung đồ án gồm có chương Chương 1: Tổng quan vô tuyến định nghĩa phần mềm (SDR) Nội dung chương giới thiệu hệ thống vô tuyến định nghĩa phần mềm Các giai đoạn phát triển tổng quan kỹ thuật SDR, ưu điểm ứng dụng Chương 2: Thiết kế SDR sở FPGA Trong chương giới thiệu cơng nghệ FPGA, nêu q trình thiết kế với FPGA ứng dụng vào SDR Chương 3: Máy thu số Nội dung chương giới thiệu máy thu số lựa chọn công nghệ FPGA để thiết kế mơ hình máy thu tín hiệu FM số phần mềm thực nghiệm thiết bị Do trình độ thời gian hạn chế, nội dung đồ án không tránh khỏi thiếu sót, kính mong đóng góp đạo thầy đồng chí để đồ án ngày hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn hướng dẫn, giúp đỡ tận tình thầy giáo TS Lê Hải Nam (Bộ môn Thông tin - Khoa Vô tuyến Điện tử), thầy, cô giáo Bộ môn Thông Tin - Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật quân giúp đỡ tơi q trình học tập q trình làm đồ án Hà Nội Ngày 18 tháng năm 2009 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỂ VÔ TUYẾN ĐỊNH NGHĨA BẰNG PHẦN MỀM (SDR) Vô tuyến định nghĩa phần mềm (SDR) công nghệ xuất gần trở thành chủ đề nghiên cứu tích cực thập kỷ qua Thuật ngữ “Software Defined Radio” “Software Radio” dùng để mô tả hệ thống vô tuyến thực chủ yếu phần mềm Các hệ thống vô tuyến tái cấu hình cập nhật phần mềm Cũng có định nghĩa tổng quan nội dung Một số chương trình SDR quân tiên phong chứng minh cho khả phát triển công nghệ Những dự án gần tạo sản phẩm vô tuyến thay hệ thống kế thừa trước Cơng nghệ SDR phát triển cách nhanh chóng Các kiến trúc kích thước tiêu chuẩn hố để mang xách cách sử dụng công nghệ phần mềm vơ tuyến xử lý dạng sóng số lĩnh vực khác Công nghệ SDR bắt đầu tìm thấy tiềm thương mại Khi mà công nghệ trở thành xu hướng chủ đạo khả thích ứng cơng nghệ tạo triển vọng cho dịch vụ Từ quan điểm người sử dụng họ mong muốn việc vận hành thông qua mạng không dây mà không cần quan tâm đến công nghệ tảng 1.1 Sự phát triển cho Quân hệ thống vô tuyến dựa phần mềm 1.1.1 SPEAKeasy Cũng giống nhiều công nghệ mới, SDR khởi xướng Quân đội nhằm giảm bớt loạt vấn đề hệ thống vô tuyến truyền thống tạo Mặc dù ngun mẫu vơ tuyến lập trình đa chế độ xuất từ năm 1970 nói dự án SPEAKeasy phiên SDR tồn thực Một số quan, tổ chức Quân đội Mỹ tham gia vào nỗ lực chung Cơ quan dự án phát triển tiên tiến Quốc phòng (DARPA: Defense Advanced Research Projects Agency), Lục quân, Hải quân, Không quân Cơ quan an ninh Quốc gia (NSA: National Security Agency) Tựu chung lại, dự án phục vụ hai mục đích Thứ việc phát triển hệ thống vô tuyến dựa việc sử dụng cơng nghệ xử lý lập trình cho phép tín hiệu vơ tuyến qn hoạt động dải tần rộng Mục tiêu thứ hai nhằm tạo khả cho phép kết họp chuẩn mã hoá điều chế hệ thống vô tuyến tương lai với ưu việt công nghệ Các nhà phát triển Quân đội hy vọng ích lợi hệ thống SDR đem lại, là: • Khả phối họp thơng qua mơ tín hiệu vơ tuyến khác • Tính mềm dẻo cho phép tái cấu hình quy mơ khác nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng • Đáp ứng nhanh chóng dễ dàng với phát triển tương lai • Triển vọng giảm giá thành việc triển khai hệ thống vô tuyến a SPEAKeasy giai đoạn I SPEAKeasy thực hai giai đoạn Giai đoạn I năm 1992, với mục đích để phát triển cơng nghệ nhằm hỗ trợ cho việc thực thiết bị vô tuyến đa băng tần, đa chế độ minh chứng hệ thống vơ tuyến cụ thể hoạt động cho dải tần lục quân, hải quân, không quân vệ tinh dải từ MHz đến GHz Hình 1.1 Kiến trúc SPEAKeasy giai đoạn I Dự án phát triển hệ thống vô tuyến mà đạt mục tiêu đề Một số vấn đề đặt chia băng tần rộng thành băng nhỏ để xử lý kỹ thuật vơ tuyến tương tự tích hợp khác A/D Điều trở thành khái niệm hệ thống vô tuyến phần mềm băng rộng Các nhà phát triển nhận yêu cầu phải có kiến trúc mở để phát triển hệ thống vơ tuyến Tuy nhiên, có nhược điểm nảy sinh xử lý lúc cho phép vài thiết bị vơ tuyến thực hội đàm lúc không gian b SPEAKeasy giai đoạn II Sau việc phát triển thành công hệ thống vô tuyến mà hỗ trợ băng rộng, giai đoạn II SPEAKeasy nhằm tạo kiến trúc mở, hệ thống tái cấu hình cho phép kết nối số giao thức vô tuyến khác thông qua việc kết nối kênh chéo phép thực nhiều hội đàm lúc FRONT END MODEM INFOSEC NETWORKING CONTROL MMI/ Hình 1.2 Kiến trúc SPEAKeasy giai đoạn II Chỉ 15 tháng sau, nhà phát triển đưa thiết bị vô tuyến hoạt động băng tần MHz đến 400 MHz Mặc dù giai đoạn II dự định thực vòng năm kết thúc sớm sau phiên thành công phiên đưa vào sản xuất Kiến trúc dựa giao diện chuẩn mở mơ hình khác để quản lý số chức vô tuyến khác nhau, kết tạo thiết bị vô tuyến nhỏ nhẹ nhiều so với giai đoạn I Điều khiển tần số vô tuyến Quản lý thành phần vô tuyến tương tự Điều khiển mô đem Quản lý nguồn hỗ trợ hệ thống điều chế giải điều chế khác Xử lý dạng sóng Xử lý chức modem hệ thống điều chế Xử lý mật mã Quản lý chức an ninh Mô đun đa phương tiện Xử lý thoại Giao diện người sử dụng Chức điều khiển chỗ từ xa Modem định tuyến Giám sát dịch vụ mạng Mơ đun điều khiển Chức điều khiển tồn Bảng 1: Các thành phần tích hợp kiến trúc SPEAKeasy Thay sử dụng hệ thống hoạt động trung tâm, mô đun khác giao tiếp bus máy tính PCI chia sẻ thơng qua giao thức phân lóp Dự án giới thiệu việc sử dụng FPGA vi xử lý để xử lý số 1.1.2 Hệ thống vô tuyến chiến thuật chung (JTRS) Kế tục dự án SPEAKeasy, hệ thống vơ tuyến chiến thuật dùng chung chương trình Bộ Quốc phòng Mỹ thiết lập năm 1999 để đạt khả lập trình phần mềm cơng nghệ vơ tuyến để hỗ trợ đa giao thức đa băng tần thông tin Quân Bộ Quốc phòng Mỹ nhận thấy cần thiết việc liên lạc vô tuyến - vô tuyến trực tiếp để hỗ trợ người lính khác quân binh chủng tình khẩn cấp Dựa tảng CORBA POSIX hệ thống hoạt động đồng thời cho mô đun khác Hệ thống vô tuyến chiến thuật chung phát triển kiến trúc mở lịch trình phát triển cho hệ thống vơ tuyến phần mềm Lịch trình SCA (Software Communications Architecture) đề ra, JTRSA phát triển đưa tập họp tiêu mô tả liên lạc tương tác mô đun vô tuyến khác JTRS họp tác với nhiều tổ chức khác diễn đàn SDR, tổ chức phi lợi nhuận bao gồm nhà cung cấp cổ đơng khác, nhóm quản lý cơng trình (OMG: Object Management Group) nhằm thúc đẩy phát triển xa hệ thống vô tuyến mềm 1.2 Giới thiệu SDR 1.2.1 Nhược điểm hệ thống vô tuyến dựa phần cứng truyền thống Trong vài thập kỷ qua, hệ thống vô tuyến dựa phần cứng số hóa thống trị tồn cơng nghệ vơ tuyến thị trường thương mại Mặc dù, hệ thống cung cấp cho công nghiệp dịch vụ đáng tin cậy loạt vấn đề nhược điểm liên quan đến kiến trúc tập trung phần cứng mà cuối dẫn đến việc chuyển dịch giải pháp dựa phần mềm Trước tiên, thiết bị vô tuyến cứng truyền thống cấu trúc phức tạp thành phần phần cứng khác Ví dụ trạm gốc, cấu trúc bao gồm hỗn hợp thiết bị vô tuyến, kiến trúc điều khiển, hạ tầng sở điều khiển truyền thông Rất nhiều thành phần cố định hoạt động liên quan yêu cầu cho việc xử lý truyền dẫn tín hiệu vơ tuyến khác hệ thống Điều dẫn đến tính khơng mềm dẻo, hạn chế khả liên hoạt động chuẩn khác hạn chế việc hỗ trợ khả xử lý vói giao thức giao tiếp không gian hệ thống dựa phần cứng Việc phát triển nhanh chóng chuẩn không dây phát sinh vấn đề lớn khác Một số chuẩn truyền dẫn không dây GPRS, EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) chuẩn 3G lưu ý trở lên đáng tin cậy Tuy nhiên, hệ thống phần cứng có khả xử lý giao thức thơng qua hệ thống, nhà cung cấp dịch vụ yêu cầu để triển khai số tháp tất vùng để phục vụ nhiều chuẩn nhà cung cấp trì handset cũ Điều bất lọi dẫn đến thời gian đưa thị trường sản phẩm lâu làm giảm chu trình đổi mói cơng nghiệp Khả khác nâng cấp sở hạ tầng phần cứng công nghệ pha trộn chuẩn Tuy nhiên, thực tế chứng minh việc trở thành phi hiệu thơng qua việc thay thay đổi phần cứng giá thành thấp 1.2.2 Sự xuất SDR Mặc dù hệ thống vô tuyến mềm chứng minh ưu điểm dự án Quân sớm trở thành ứng dụng thương mại vài năm gần Công nghệ không dây tạo bước tiến vào kỷ nguyên mới, việc thương mại hoá sản phẩm SDR chứng tỏ hiệu giá thành tính khả thi, dẫn đến việc chuyển đổi kiến trúc số cứng truyền thống để thay giải pháp vô tuyến mềm Sự phát triển không ngừng lĩnh vực công nghệ vi xử lý nhúng, biến đổi A/D, lập trình hướng đối tượng số hố cao tần cho phép phát triển hướng tói lĩnh vực hệ thống vô tuyến mềm 1.2.3 Các định nghĩa khái niệm SDR Có số định nghĩa SDR tồn tại, tất định nghĩ khơng hồn tồn phù hợp vói Uỷ ban thơng tin liên bang (FCC: Fédéral Communications Commision) định nghĩa SDR sau: “Là hệ thiết bị vơ tuyến mà lập trình lại, phát thu tần số dải tần hoạt động cách nhanh chóng, sử dụng hầu hết định dạng truyền dẫn chuẩn nào” Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU: International Télécommunication Union) đưa định nghĩa: “Là hệ thống vơ tuyến mà tham số hoạt động bao gồm dải tần, kiểu điều chế, cơng suất phát thay đổi phần mềm” Ngược lại, diễn đàn SDR, tổ chức quốc tế phi lợi nhuận xúc tiến phát triển SDR đưa định nghĩa bao quát hơn: “SDR tập hợp công nghệ phần cứng phần mềm mà tái cấu hình kiến trúc hệ thống cho mạng không dây thiết bị đầu cuối người sử dụng” Một lý mà dẫn đến vài định nghĩa mâu thuẫn chất phức tạp rộng lớn công nghệ khác ý nghĩa để thực hệ thống SDR 1.2.4 Năm hệ SDR Sự phức tạp cấu trúc SDR dẫn đến việc tồn nhiều định nghĩa mâu thuẫn Với mục đích thúc đẩy hiểu biết công nghệ SDR, diễn đàn SDR định nghĩa hệ chứa đựng phạm trù khác hệ thống vô tuyến mềm Thế hệ mô tả thiết bị vô tuyến cứng, thực khơng xem thuộc vào lĩnh vực SDR Công nghệ SDR đơn giản bắt đầu với hệ 1, thiết bị vô tuyến điều khiển phần mềm (SCR: Software Controlled Radios) với chức điều khiển xử lý phần mềm Một ví dụ đơn giản điện thoại tế bào chế độ, gồm máy vô tuyến cứng cho chuẩn khác Phần mềm đơn điều khiển xem máy vô tuyến sử dụng khơng thể nâng cấp chuẩn phát triển mói Thế hệ hệ hệ thống vô tuyến định nghĩa mềm tái cấu hình Đúng tên gọi nó, hệ thống SDR tái cấu hình phép điều khiển phần mềm thông qua kỹ thuật điều chế, tính bảo mật (như nhảy tần) yêu cầu dạng sóng băng tần rộng cung cấp phần mềm SDR hệ ứng dụng kỹ thuật xử lý công nghệ ASIC, FPGA DSP Mặc dù SDR tái cấu hình sử dụng phổ biến nay, đặc biệt cho ứng dụng Quân sự, phát triển nhanh chóng cơng nghệ SDR, hệ thống trở lên lỗi thòi Một ví dụ cho hệ thống SDR hệ hệ thống SPEAKEasy SDR hệ gọi vơ tuyến mềm lý tưởng (ISR: Ideal Software Radios) cuối trở thành hệ thống sử dụng chủ yếu tương lai gần Dựa tính mở rộng khả lập trình tới tồn hệ thống, việc chuyển đổi tương tự thực hoàn toàn anten, micro loa Các thành phần trộn tần thực chức chuyển tần số vô tuyến thu thành tần số không đổi thành phần khuếch đại tương tự loại bỏ máy vô tuyến mềm lý tưởng Trong đó, hệ thống SDR hệ viễn cảnh SDR Diễn đàn SDR tuyên bố hệ vô tuyến mềm sau (USR: Ultimate Software Radios) “chỉ định nghĩa cho mục đích so sánh”, mặt lý thuyết, USR xem hỗ trợ cho dải tần rộng, ứng dụng giao diện không gian, cho phép chuyển định dạng giao diện không gian ứng dụng khác vòng cỡ mini giây 1.2.5 Những ưu điểm SDR Thuật ngữ SDR lần đặt năm 1991 Vói tính vô tuyến nhúng xử lý mô đun phần mềm cơng nghệ SDR thể hàng loạt ưu điểm Ưu điểm lớn hệ thống SDR việc giói thiệu phương pháp mói khả nâng cấp tính linh hoạt động vốn có SDR dựa kiến trúc mở bao gồm phần cứng tổng quan chung cho phép cài đặt linh hoạt ứng dụng phần mềm khác tuỳ theo yêu cầu việc truyền dẫn tín hiệu Các phần cứng sử dụng để hỗ trợ sản phẩm, dịch vụ giao thức khác Kết hệ thống vô tuyến đa băng tần, đa chế độ thích ứng với số giao thức AMPS, TDMA, CDMA GSM mà phần lớn sử dụng chuẩn khơng gian Có thể tin tưởng TDMA GSM cuối họp thành chuẩn tương lai gần Từ quan điểm đó, hàng triệu máy điện thoại cầm tay sử dụng khơng thích nghi với chuẩn này, việc họp tức thời hai chuẩn gần Thông qua việc tồn số mơ đun 10 Hình 3J5 Thư viện Simuỉink System Generator 3.2.1 Một vài đặc điểm khỉ xây dựng mô hình System Generator - Mỗi mơ hình Sìmulỉnk phải chứa khối System Generator, khối dùng để đỉều khiển q trình biên dịch, mơ phần cứng - Với cấu trúc phân nhánh ngồi việc viết chương trình cách nối khối chức vổi nhau, ta sử dụng ngơn ngữ khác để tạo khối có tính đặc biệt (như cấu tróc phân nhánh) Điều vô thuận lợi việc xây dựng mô hình phức tạp - Ln ý lưu ý khối, điều giúp cho thiết kế tối ưu việc tiết kiệm tài nguyên - Các đầu vào đầu thiết kế: Đặt thêm ghi khối gỉữ chậm vào sau Gateway In trước Gateway Out để tăng hiệu cho phẩn cứng FPGA 54 - Chèn ghi phân luồng vào noi đâu có thể: Các phân luồng chiều sâu thực hiệu vói khối giữ chậm ghi SRL16 nguyên thuỷ sử dụng System Generator chứa thư viện Simulink khối chức để xây dựng mạch DSP, mạch số học, mạch logic số Các khối tính tốn đầu thơng qua đầu vào chúng, xác định dạng đầu lượng tử xác Có thể kết hợp khối Xilinx với MATLAB khối Simulink để tạo Testbench để phân tích liệu tính mơ hình Vói trừu tượng hố mức cao System Generator cho phép phát triển kiểm tra thuật tốn cách nhanh chóng Thêm vào thư viện mơ hình hệ thống, System Generator chứa máy phát mã để tự động tạo Netlist VHDL tổng họp Netlist chứa khối IP (đặc tính thơng minh) mà thiết kế cẩn thận để thực tối ưu tốc độ mật độ cao Xilinx FPGA Đồng thòi System Generator tạo Project File cần thiết để sử dụng Xilinx ISE công cụ tổng họp 3.2.2 Các bước thực mơ hình hố hệ thống DSP System Generator • Xây dựng mơ hình • Thiết lập tham số, tạo cấu hình đường liệu • Mơ phỏng, kiểm tra kết Simulink • Biên dịch file cần thiết cho công cụ tổng hợp, đồng mô phần cứng, thực vào Xilinx FPGA 55 3.2.3 Phương pháp quy trình thiết kế chế tạo hệ phần cứng tiêu chuẩn có dùng FPGA hệ DSP System Generator Matlab Simulink Algorithms HDL Simulation, Synthesis Map, Place, Root Developer’s kit for DSP Code Composer Studio FPGA, DSP Chế tao phần cứng tiêu chuẩn Emulator PCI/ Compact PCI/VME Hình 3.16 Phương pháp quy trình thiết kế, chế tạo phần cứng tiêu chuẩn sỏ sử dụng FPGA, CPLD DSP Phân tích phương pháp quy trình ta thấy bước thực tổng thể sau: Việc thiết kế hệ thống thuật toán thực môi trường Matlab/ Simulink, việc thực tế hố thuật tốn thực nhờ cơng cụ phần mềm System Generator, sau bước mô tổng họp mức HDL, bước thiết kế bố trí đường nối, bố trí linh kiện, mô - kiểm tra chế tạo phần cứng có chứa FPGA Trường hợp Board điện tử dùng DSP có thêm nhánh cơng cụ phát triển cho DSP (ví dụ cho họ Texaslnst Developer s kít, Code Composer Studio, Emulations) 3.3 Thực thiết kế máy thu số tín hiệu FM phần mềm System Generator 10.1 3.3.1 Bộ chuyển hạ số số DDC Mơ hình chuyển hạ hình sau: Hình 3.17 Cấu trúc DDC Tín hiệu FM đầu vào sau qua ADC chia làm phần đưa vào trộn Ml M2 để tạo thành phần đồng pha (I) thành phần vuông pha (Q) băng gốc phục vụ cho việc giải điều chế tín hiệu FM phía sau DDS cung cấp tín 56 hiệu sin cosin cho trộn, tín hiệu có chu kỳ tín hiệu FM đầu vào tốc độ mẫu vói ADC, để việc trộn thực Hình 3.18 Cấu trúc trộn số Khối DDS tổ họp tần số trực tiếp, thường gọi dao động điều khiển số (NCO) Khối sử dụng hệ thống bảng tra cứu để tạo hình sin Bộ tích lũy số tạo pha ánh xạ từ bảng tra cứu vào dạng sóng đầu Sau trộn tửi hiệu đưa đến lọc CIC Bộ lọc CIC Làm giảm mẫu đồng thời khuếch đại tín hiệu lọc có đặc tính chọn lọc thơng thấp với dải tần hẹp Bộ lọc CIC hoạt động trực tiếp tần số lấy mẫu đầu vào hệ thống lên tới hàng trăm MHz Đồng thời CIC cố đặc tuyến pha tuyến tính, kiểu lọc đa tốc độ với hệ số giảm mẫu lớn (8 - 4096 lần) 57 CIC Filtert Hình 3.19 Bộ lọc CIC Sau ơc mẫu tín hiệu giảm phù hợp với dải tần tín hiệu Đầu lọc CIC cho ta thành phần I Q tín hiệu FM số băng gốc, hai thành phần đưa tới đầu vào giải điều chế tron fiifi Hình 3.20 Mơ hình DĐC System Generator 3.3.2 Bộ gỉảỉ điều chế FM số Phương trình phức cho tín hiệu FM băng gốc X(tu , = f.{cos[P(t)FM] + jsin[P(t)FM]} = Ỷ«™“ (3-2) Một mẫu FM giá trị phức mơ tả vector đường tròn đơn vị phức với biên độ góc pha Một mẫu phức đưa mảnh hai thông tin thành phần thực thành phần ảo Dạng cực số phức Z = X + j y, biểu diễn biểu thức sau z=r.eie (3.3) r=Al x + y (3.4) l e=tan * (3.5) A 58 Hình 3.21 Hệ tọa độ cực Mỗi mẫu phức vào có biên độ góc pha Do tín hiệu FM lưu tất thơng tin pha, nên góc pha thơng tin yêu cầu để giải điều chế tín hiệu lấy mẫu phức Rõ ràng việc xác định tần số tức thời tín hiệu FM từ góc pha khơi phục tin gốc Ta tìm góc pha tín hiệu FM băng gốc từ thành phần I Q dựa vào biểu thức: arctan— - / (3.6) Trong System Generator 10.1 chứa khối CORDIC ATAN cung cấp cho góc pha tín hiệu FM từ hai thành phần I Q Sau tách pha tín hiệu FM ta cho qua vi phân số (bộ phân biệt pha) 59 để lấy tần số tức thòi tín hiệu FM cuối đưa qua lọc audio (bộ lọc âm tần) để lấy tin gốc Hình 3.22 Mơ hình giải điều chế tín hiệu FM số Tín hiệu âm Q-phase tàn Irvphasẽ CORDIC ATAN thực biến đổi hệ tọa độ vng góc tới hệ tọa độ cực sử dụng thuật toán song song hoàn toàn CORDIC (Coordinate Rotation Digital Computer) chế độ Circular Vectoring Tức là, vào đầu vào phức , tính vector , biên độ m = K ^Ịx2 + y2, pha = arc tan y , thông thường hệ số tỷ lệ biên độ X K = 1.646760 không bù xử lý Nghĩa biên độ đầu nên lấy tỷ lệ theo hệ số Thuật toán CORDIC ATAN thực theo bước sau: Quay góc thơ: thuật tốn hội tụ đối vói góc nằm - TI/2 71 /2 x